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Les lasers
Le laser (Light Ampli cation by Stimulated Emission of Radiation) est une source de lumiere coherente, presque monochromatique et qui est creee par emission stimulee 1 2. Il est compose de trois elements principaux : le milieu ampli cateur, un systeme de pompage et une cavite.
Milieu ampli cateur
Un milieu ampli cateur peut ^etre gazeux, liquide ou solide. C’est un milieu ou se produit une inversion de population au niveau atomique. Pour comprendre l’inver-sion de population, il est necessaire de conna^tre les trois mecanismes d’absorption et d’emission de rayonnement par un atome. Le premier est le plus simple, l’absorption : lorsqu’un photon arrive sur l’atome il y a une probabilite que l’energie du photon soit transferee a un electron de l’atome. Cet electron, possedant ainsi une energie plus elevee va passer sur un niveau d’energie superieure (avec une energie de liaison inferieure, en absolu), si l’energie du photon incident est egale au saut d’energie electronique. Il est egalement possible que plusieurs photons d’energies inferieures a l’energie necessaire a la transition additionnent leurs energies et soient absorbes simultanement (absorption dite multi-photonique [Keldysh 1965]). Le deuxieme mecanisme est l’emission spontanee. Si un atome est sur un niveau d’energie excit et qu’un niveau inferieur du cortege electronique possede une lacune, l’electron peut perdre de l’energie et redescendre sur un niveau plus stable, tout en emettant un photon d’energie h , egale a la di erence entre les energies des deux niveaux atomiques. Le dernier mecanisme, l’emission stimulee, est plus complexe (decouverte par Einstein en 1917 [Einstein 1917]). Lorsqu’un photon arrive sur un atome Absorption. b) Emission spontanee. c) Emission stimulee.
possedant un electron sur un niveau superieur et une lacune electronique sur une couche d’energie inferieure (avec une di erence d’energie entre les deux niveaux egale a l’energie du photon), le photon va obliger l’electron en question a descendre vers le niveau d’energie inferieure, creant un deuxieme photon possedant une direction, un sens de propagation et une energie identique au photon incident. On parle alors de photons identiques . Ces trois mecanismes sont illustres sur la gure 1.1.
Sans intervention exterieure, le nombre d’electrons par niveau quantique d’un atome suit la loi statistique de Boltzman [Pottier 2007]. Cette loi donne le nombre d’electrons Ni sur le niveau i d’energie Ei :
Ni = N gi e Ei=kBT ; (1.1)
Z(T)
avec N le nombre total d’electrons, Z(T ) la fonction de partition du systeme, gi la degenerescence de l’etat i et kBT la temperature du milieu. Dans ces conditions, si Ei > Ek alors Ni est toujours inferieur a Nk. Une inversion de population consiste a briser cette statistique en donnant de l’energie au systeme [Cohen-Tannoudji 1966]. Ainsi il pourra y avoir un niveau i d’energie Ei possedant plus d’electrons Ni qu’un niveau k d’energie inferieure Ek possedant Nk electrons (Ni > Nk et Ei > Ek). L’apport de cette energie se fait par un mecanisme dit pompage . Il peut ^etre realis : par lampes ash, par laser (pompage optique), chimiquement ou m^eme electriquement. L’energie des photons de ce systeme de pompage doit cependant correspondre aux transitions pouvant ^etre excitees. Il existe plusieurs methodes pour realiser une inversion de population dependant du nombre de niveaux atomiques impliques. Normalement, on distingue des systemes a trois et quatre niveaux. Ces systemes sont composes de deux niveaux entre lesquels l’emission laser peut se produire et respectivement un ou deux niveaux intermediaires permettant d’obtenir une inversion de population. Ces niveaux sont necessaires car l’inversion de population n’est pas possible dans un systeme a deux niveaux seulement. La gure 1.2 montre l’exemple d’un systeme a quatre niveaux correspondant par exemple a l’inversion de population dans un milieu ampli cateur de Neodyme.
Une cavite optique peut prendre di erentes formes. Dans le cas le plus simple, elle est composee de deux miroirs opposes, dont l’un partiellement transparent. Elle va permettre de multiples passages de la lumiere dans le milieu ampli cateur (cf. gure 1.3) permettant donc une ampli cation multiple. La cavite laser est le pilote d’un systeme laser, elle permet de de nir la duree d’impulsion ainsi que la forme de l’impulsion laser nale.
Ampli cation de l’emission spontanee (ASE)
Dans les lasers de puissance, l’emission de lumiere laser peut ^etre accompagnee par une ampli cation de l’emission spontanee (Ampli cation of the Spontaneous Emis-sion ; A.S.E.). Comme son nom l’indique, l’A.S.E. correspond a l’ampli cation de photons provenant de l’emission spontanee donc des photons ne provenant pas de la cavite laser. L’ampli cation de l’emission spontanee correspond a une energie indesirable (peut avoir lieu avant et apres l’impulsion determinee par la fen^etre temporelle du pilote).
Table des matières
Introduction
1 Interaction laser-matiere
1.1 Les lasers
1.1.1 Milieu amplicateur
1.1.2 Inversion de population et pompage
1.1.3 Cavite laser
1.1.4 Amplication de l’emission spontanee (ASE)
1.1.5 Laser a impulsion breve et de haute energie : Amplication a derive
de frequence (C.P.A.)
1.1.6 Doublage de frequence
1.2 Interaction laser-matiere
1.2.1 Transfert d’energie laser
1.2.2 Generation de champ magnetique
1.2.3 Generation de faisceaux d’electrons
1.2.4 Eets de charge d’espace : recirculation des electrons dans la cible
et acceleration d’ions
2 Diagnostics experimentaux
2.1 Diagnostics laser
2.1.1 Calorimetrie : Energie
2.1.2 Imagerie de la tache focale : Fluence
2.1.3 Autocorrelateur 2! mono-coup : Duree de l’impulsion
2.1.4 Autocorrelateur 3! : Contraste de l’impulsion
2.2 Diagnostics de densite electronique dans un plasma
2.2.1 Ombroscopie
2.2.2 Interferometrie
2.3 Diagnostics du champ magnetique
2.3.1 De
ectometrie protonique
2.3.2 Polarimetrie et interferometrie croisee
2.4 Diagnostics de faisceaux d’electrons : nombre d’electrons et divergence du
faisceau
2.4.1 Imagerie de l’emission K par un cristal spherique
2.4.2 Diagnostic MatriX : Spectrometre X a comptage de photons
2.4.3 Diagnostic de Rayonnement de Transition Coherent (C.T.R.)
3 Experiences realisees sur l’interaction laser-matiere
3.1 Mesures polarimetriques du champ magnetique en surface de cibles irradiees
par laser
3.1.1 Etude de l’eet Cotton-Mouton
3.1.2 Etude de la rotation de Faraday
3.2 Experience sur l’in
uence du pre-plasma sur le faisceau d’electrons
3.3 Experience d’ombroscopie X de haute resolution du faisceau d’electrons
3.4 Experience de caracterisation du faisceau d’electrons a l’interieur d’une cible
comprimee par laser
3.5 Experience sur la production de forts champs magnetiques a l’aide d’une
cible de type boucle irradiee par laser nanoseconde
3.6 Campagne de caracterisation de la re
ectivite de cristaux spheriques imageurs
4 Resultats obtenus
4.1 Champs magnetiques en surface de solides irradies par laser intense
4.1.1 Champ magnetique determine par polarimetrie
4.1.2 Champ magnetique determine par interferometrie croisee
4.1.3 Champ magnetique determine par de
ectometrie protonique
4.2 Divergence du faisceau d’electrons
4.2.1 Divergence du faisceau d’electrons : Imagerie K et imagerie C.T.R.
4.2.2 Observation du faisceau d’electrons chauds par ombroscopie X
4.3 Synthese des resultats
4.3.1 Mesures du champ magnetique en surface de cible
4.3.2 Resultats de divergence du faisceau d’electrons
4.3.3 Analyse de la divergence a l’aide de simulation PIC et PIC-hybride
Conclusions
A Calcul de l’intensite laser
B Determination de l’indice de refraction d’un plasma magnetise
C Caracterisation absolue de la re
ectivite de cristaux spheriques utilis
pour l’imagerie K
Bibliographie
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